似曾相识星归来

　　不知道大家有没有过这样的体验，面对陌生的事情或者场景，会突然觉得似乎在以前经历过，甚至还能预测下一秒会发生什么。这其实源自一个叫做既视感的生理现象。统计表明，大约三分之二的人有过至少一次这种感到似曾相识的经历。有意思的是，宇宙中也存在一类和既视感非常相似的现象，我们可以借助一种被称为强引力透镜的效应，多次看到同一件事情的发生。
　　01hr时光机？时光机！
　　强引力透镜是背景天体发出的多束光线在前景天体的引力作用下发生偏折从而汇聚形成多重像的现象。由于它和光学透镜十分类似，因此被称为引力透镜，其中前景天体被称为透镜体，背景天体被称为源。
　　强引力透镜系统示例，两幅图中被拉伸的蓝色或橙色长弧是源形成的多重像。丨图源：ESAHubble，NASA，CSA，andSTScI
　　从下面强引力透镜示意图中我们可以看到，强引力透镜事例中，不同的像对应不同的光路，这会导致两类时间延迟的产生。其中一类被称为几何时间延迟，它比较直观，是由光走过的路程不同所引起的。另一类被称为夏皮罗时间延迟，它是美国天体物理学家欧文夏皮罗（IrwinShapiro）于1964年提出的。其原理是在广义相对论效应下，引力会使得光线的等效传播速度发生变化，从而导致到达时间出现延迟。由于不同光路所感受的引力势不同，它们对应的夏皮罗时间延迟也会不同。
　　在强引力透镜系统中，多重像之间的相对时间延迟是这两类时间延迟的叠加，通常可以达到天至年的量级。正是由于这一时间延迟效应，强引力透镜成为了一个等效的时光机，我们所看到的多重像并非来自同一时刻，而是对应源在不同时刻的图像。
　　强引力透镜示意图。共有四条光路到达观测者，因此能看到源的四个像（右上角）。丨图源：ESAHubble，L。Calada
　　02hr宇宙中的焰火
　　当然，想要观测到这一时间延迟，源不能是一成不变，而应该是处于变化中的。超新星就是一类常见的变源，虽然从字面意思看这个名字表示新出现的恒星，但是超新星的本质和新诞生的恒星恰恰相反，它实际上是恒星在死亡前最后的绚烂。
　　当大质量恒星（质量大约是太阳的8倍或者更高）和处于双星系统中的白矮星演化到晚期，或由于引力塌缩，或由于核反应被点燃，导致恒星的外壳层或者白矮星整体在极短的时间内发生瓦解，这个过程被称为超新星爆发。其释放的能量之大，使得超新星爆发成为了宇宙中最剧烈的爆炸之一，它持续时间通常在一年左右，最亮的时候甚至可以媲美包含上千亿颗恒星的星系。因此，我们可以把超新星爆发想象为宇宙中的焰火表演。不过，这类表演非常罕见，平均每个星系每一百年才会爆发一颗超新星，而能被我们看见的更是凤毛麟角。
　　03hr超强组合的初舞台
　　2014年，人类第一次观测到了超新星作为源的强引力透镜事例。美国明尼苏达大学的帕特里克凯利教授（PatrickKelly）和他的合作者在分析一个名为MACSJ1149。62223星系团的历史数据时，发现2014年11月拍摄的图像中，一个星系的周围出现了四个点，它们在之前拍摄的图像中并不存在。后续的观测证实，这四个点是同一颗超新星被星系透镜偏折所形成的四个像。
　　多个研究团队迅速对这一历史性的发现进行了跟进，他们化身预言家，预测由于时间延迟，将在大约一年后，在这四个像的东北方向，再次看到这颗超新星的爆发。2015年12月，万众期待的超新星如期而至！这个发现标志着人类历史上首次成功预言了超新星爆发的时间和位置。
　　04hr始于颜值，忠于内涵
　　除了视觉上的冲击，强引力透镜的时间延迟效应还有着重要的科学价值。
　　一方面，我们可以通过测量时间延迟，来计算源和透镜体离我们的距离，而知道天体的距离将能帮助我们判断宇宙是如何膨胀的，这其实是当前天文界的一个研究热点。
　　尽管我们在20世纪末已经通过观测推断出宇宙目前处于一个加速膨胀的阶段（相关的工作获得了2011年诺贝尔物理学奖），但对其膨胀的具体速率，即哈勃常数，仍然没有达成共识。目前两类常用的测量哈勃常数的方法给出的结果存在显著的不一致，已经成为了现有宇宙学理论的一个重大危机。
　　哈勃常数测量结果对比。蓝色和黑色对应的结果分别来自两类常用的测量方法，它们之间存在显著的不一致。图源：WendyFreedman
　　为了判断测量结果的不一致究竟是源自两类方法中未知的系统性偏差，还是超出现有理论框架的新的物理，我们迫切需要通过其它方法来测量哈勃常数。而强引力透镜的时间延迟效应正好提供了一个独立于前两类方法的测量哈勃常数的手段。最近十年，陆续有工作成功地通过时间延迟法测量出了哈勃常数，但由于可用的强引力透镜事例不足，其测量精度尚无法给出关于哈勃常数危机的决定性结论。
　　另一方面，时间延迟提供了一个研究超新星爆发早期甚至是未爆发前相关性质的机会。理论工作表明，超新星爆发极早期（大约15天以内）的性质可以帮助有效地判断超新星的前身星。但常规超新星的爆发具有不可预测性，现有的关于超新星极早期性质的观测完全是凭运气，相关的研究屈指可数。对于强引力透镜超新星，我们可以在观测到最先到达的像之后，通过建模来预测后续的像会在什么时间出现在什么位置，从而安排相应的观测，记录下超新星爆发的全过程。对于天文学这门靠天吃饭的学科，强引力透镜所带来的预测未来的能力，无疑是弥足珍贵的。
　　05hr时间旅行邀约
　　美中不足的是，由于强引力透镜和超新星都是非常罕见的现象，目前已知的强引力透镜超新星仅有五例。不过，这一局限有望在不久的将来发生彻底的转变。国内外正在筹备的多个新一代巡天项目将能看得更广更深，具备每年发现十例左右强引力透镜超新星的能力。例如，我国的巡天空间望远镜项目和中国科学技术大学紫金山天文台2。5米大视场巡天望远镜项目。
　　让我们期待更多的强引力透镜超新星事例被我国自主研制的望远镜所捕获。届时，希望我们能再次相聚在这个平台，共同体验一段段奇妙的时间旅行！
　　作者简介
　　舒轶平
　　中国科学院紫金山天文台星系宇宙学和暗能量研究团组学者，主要研究方向为星系演化和宇宙学。
　　轮值主编：张水乃
　　编辑：王科超
　　转载内容仅代表作者观点
　　不代表中科院物理所立场
　　如需转载请联系原公众号